JPH11334063A

JPH11334063A - インクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置

Info

Publication number: JPH11334063A
Application number: JP10140688A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Shimada; 勝人島田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 1999-12-07
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: JP3603931B2

Abstract

(57)【要約】【課題】振動板が駆動時に効率よく変形することが可
能なインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式
記録装置を提供する。【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室１２の
一部を構成する弾性膜５０と、該弾性膜５０上に設けら
れた下電極６０と、該下電極６０上に形成された圧電体
層７０と、該圧電体層７０の表面に形成された上電極８
０とを備え、前記圧力発生室１２に対応する領域に圧電
振動子３００を形成したインクジェット式記録ヘッドに
おいて、前記弾性膜が、前記圧力発生室１２から外側に
向かって凸に変形していることにより、弾性膜及び下電
極からなる振動板が駆動時に効率よく変形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を吐出す
るノズル開口と連通する圧力発生室の一部を弾性膜で構
成し、この弾性膜の表面に圧電体層を形成して、圧電体
層の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式
記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インク滴を吐出するノズル開口と連通す
る圧力発生室の一部を弾性膜で構成し、この弾性膜を圧
電振動子により変形させて圧力発生室のインクを加圧し
てノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット
式記録ヘッドには、圧電振動子が軸方向に伸長、収縮す
る縦振動モードの圧電振動子を使用したものと、たわみ
振動モードの圧電振動子を使用したものの２種類が実用
化されている。

【０００３】前者は圧電振動子の端面を弾性膜に当接さ
せることにより圧力発生室の容積を変化させることがで
きて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反
面、圧電振動子をノズル開口の配列ピッチに一致させて
櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられ
た圧電振動子を圧力発生室に位置決めして固定する作業
が必要となり、製造工程が複雑であるという問題があ
る。

【０００４】これに対して後者は、圧電材料のグリーン
シートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼
成するという比較的簡単な工程で弾性膜に圧電振動子を
作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する
関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困
難であるという問題がある。

【０００５】一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消す
べく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるよう
に、弾性膜の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧
電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法に
より圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生
室毎に独立するように圧電振動子を形成したものが提案
されている。

【０００６】これによれば圧電振動子を弾性膜に貼付け
る作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、
かつ簡便な手法で圧電振動子を作り付けることができる
ばかりでなく、圧電振動子の厚みを薄くできて高速駆動
が可能になるという利点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た薄膜技術およびリソグラフィ法による製造方法では、
薄膜のパターニング後に圧力発生室を形成するが、その
際、上電極及び圧電体層の内部応力緩和の影響により、
振動板が圧力発生室側に撓んでしまい、この撓みが振動
板の初期変形として残留してしまうという問題がある。
特に、下電極をオーバーエッチングした構造の場合に
は、撓み量が大きく、圧電体能動部の駆動による振動板
の変形量が計算上の値よりも小さくなってしまう。これ
は、上電極及び圧電体層（及び下電極）の引張方向の内
部応力緩和の影響で振動板が撓むことにより弾性域を越
え、塑性変形領域に達しているためであると考えられ
る。

【０００８】そこで、本発明はこのような事情に鑑み、
振動板が駆動時に効率よく変形することが可能なインク
ジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を
提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室の
一部を構成する弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下電
極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層
の表面に形成された上電極とを備え、前記圧力発生室に
対応する領域に圧電振動子を形成したインクジェット式
記録ヘッドにおいて、前記弾性膜が、前記圧力発生室か
ら外側に向かって凸に変形していることを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッドにある。

【００１０】かかる第１の態様では、初期状態におい
て、弾性膜がインク吐出とは反対側に変形しているの
で、インク吐出のための弾性膜及び下電極からなる振動
板の変形量が向上される。

【００１１】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記上電極の主成分は、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，
Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅからなる群から選択される金属であ
ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにあ
る。

【００１２】かかる第２の態様では、上電極を所定の金
属で形成することにより圧縮応力とすることができ、こ
の上電極の圧縮応力によって弾性膜及び下電極からなる
振動板が上に凸に変形される。

【００１３】本発明の第３の態様は、第２の態様におい
て、前記上電極は、スパッタ法で形成され、且つ前記金
属中に所定のガスが添加されていることを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッドにある。

【００１４】かかる第３の態様では、上電極にさらに大
きい圧縮応力が付与される。

【００１５】本発明の第４の態様は、第３の態様におい
て、前記ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＲ
ｎの群から選択される不活性ガスであることを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１６】かかる第４の態様では、ガスが上電極と反
応することなく、上電極に確実に圧縮応力が付与され
る。

【００１７】本発明の第５の態様は、第２の態様におい
て、前記上電極は、前記金属に、異なる成分の金属、半
金属、半導体及び絶縁体からなる群から選択される少な
くとも一種の添加物が添加されていることを特徴とする
インクジェット式記録ヘッドにある。

【００１８】かかる第５の態様では、上電極にさらに大
きい圧縮応力が付与される。

【００１９】本発明の第６の態様は、第５の態様におい
て、前記添加物が、イオン打ち込みにより前記上電極に
添加されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
ドにある。

【００２０】かかる第６の態様では、上電極の上層側に
より多くの添加物が添加されるため、上層側がより大き
い圧縮応力となる。

【００２１】本発明の第７の態様は、第５の態様におい
て、前記添加物が、前記上電極上に設けられた層からの
固相拡散により前記上電極に添加されることを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッドにある。

【００２２】かかる第７の態様では、上電極の上層側に
より多くの添加物が添加されるため、上層側がより大き
い圧縮応力となる。

【００２３】本発明の第８の態様は、第７の態様におい
て、前記固相拡散は、不活性ガス又は真空下で加熱する
ことにより行われることを特徴とするインクジェット式
記録ヘッドにある。

【００２４】かかる第８の態様では、不活性ガス又は真
空下で加熱することにより、比較的容易に固相拡散を行
うことができる。

【００２５】本発明の第９の態様は、第１の態様におい
て、前記上電極は、前記圧電体層の表面に形成される第
１の電極と、この第１の電極上に積層される第２の電極
とを有し、前記第２の電極は、導電性の酸化膜又は窒化
膜であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド
にある。

【００２６】かかる第９の態様では、上電極の上層が下
層より大きい圧縮応力を有する酸化膜で構成され、弾性
膜及び下電極からなる振動板が確実に上に凸に変形され
る。

【００２７】本発明の第１０の態様は、第９の態様にお
いて、前記第１の電極の主成分が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、
Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ及びＲｅからなる群から選択される金
属であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド
にある。

【００２８】かかる第１０の態様では、第１の電極を所
定の金属で形成することにより、上電極にさらに大きい
圧縮応力が付与される。

【００２９】本発明の第１１の態様は、第９又は１０の
態様において、前記第２の電極を構成する酸化膜の主成
分が、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミ
ウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウ
ム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、
酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニ
ウム、酸化ハフニウム及び酸化モリブデンからなる群か
ら選択されることを特徴とするインクジェット式記録ヘ
ッドにある。

【００３０】かかる第１１の態様では、上電極の上層を
酸化膜で形成することにより、下層より大きい圧縮応力
とすることができ、弾性膜及び下電極からなる振動板が
確実に上に凸に変形される。

【００３１】本発明の第１２の態様は、第９又は１０の
態様において、前記第２の電極を構成する窒化膜の主成
分が、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒
化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒
化タンタル、窒化クロム及び窒化バナジウムからなる群
から選択されていることを特徴とするインクジェット式
記録ヘッドにある。

【００３２】かかる第１２の態様では、上電極の上層を
酸化膜で形成することにより、下層より大きい圧縮応力
とすることができ、弾性膜及び下電極からなる振動板が
確実に上に凸に変形される。

【００３３】本発明の第１３の態様は、第９又は１０の
態様において、前記第２の電極は、成膜後に酸化又は窒
化することにより形成されることを特徴とするインクジ
ェット式記録ヘッドにある。

【００３４】かかる第１３の態様では、比較的容易に酸
化膜又は窒化膜を形成することができる。

【００３５】本発明の第１４の態様は、第１の態様にお
いて、前記上電極の主成分が、酸化ルテニウム、酸化イ
ンジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化
マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロ
ンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化
チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及び酸化モ
リブデンからなる群から選択される導電性酸化膜である
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００３６】かかる第１４の態様では、上電極を導電性
酸化膜によって形成することにより、さらに大きい圧縮
応力とすることができる。

【００３７】本発明の第１５の態様は、第１の態様にお
いて、前記上電極の主成分が、窒化チタン、窒化ニオ
ブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハフニ
ウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロム及び
窒化バナジウムからなる群から選択される導電性窒化膜
であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドに
ある。

【００３８】かかる第１５の態様では、上電極を導電性
窒化膜によって形成することにより、さらに大きい圧縮
応力とすることができる。

【００３９】本発明の第１６の態様は、第１〜１５の何
れかの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶
基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電振動
子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたも
のであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド
にある。

【００４０】かかる第１６の態様では、高密度のノズル
開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ
比較的容易に製造することができる。

【００４１】本発明の第１７の態様は、第１〜１６の何
れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備するこ
とを特徴とするインクジェット式記録装置にある。

【００４２】かかる第１７の態様では、ヘッドのインク
吐出性能を向上したインクジェット式記録装置を実現す
ることができる。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下に本発明を実施形態に基づい
て詳細に説明する。

【００４４】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図
であり、図２は、平面図及びその１つの圧力発生室の長
手方向における断面構造を示す図である。

【００４５】図示するように、流路形成基板１０は、本
実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板か
らなる。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３
００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８
０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の
厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室
間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるから
である。

【００４６】流路形成基板１０の一方の面は開口面とな
り、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリ
コンからなる、厚さ０．１〜２μｍの弾性膜５０が形成
されている。

【００４７】一方、流路形成基板１０の開口面には、シ
リコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、
ノズル開口１１、圧力発生室１２が形成されている。

【００４８】ここで、異方性エッチングは、シリコン単
結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々
に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面
と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且
つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１
１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレート
と比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１
８０であるという性質を利用して行われるものである。
かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１
１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成され
る平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行う
ことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することが
できる。

【００４９】本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺
を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で
形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１
０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングす
ることにより形成されている。なお、弾性膜５０は、シ
リコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵さ
れる量がきわめて小さい。

【００５０】一方、各圧力発生室１２の一端に連通する
各ノズル開口１１は、圧力発生室１２より幅狭で且つ浅
く形成されている。すなわち、ノズル開口１１は、シリ
コン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハー
フエッチング）することにより形成されている。なお、
ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行わ
れる。

【００５１】ここで、インク滴吐出圧力をインクに与え
る圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズ
ル開口１１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出
スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、
１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノ
ズル開口１１は数十μｍの溝幅で精度よく形成する必要
がある。

【００５２】また、各圧力発生室１２と後述する共通イ
ンク室３１とは、後述する封止板２０の各圧力発生室１
２の一端部に対応する位置にそれぞれ形成されたインク
供給連通口２１を介して連通されており、インクはこの
インク供給連通口２１を介して共通インク室３１から供
給され、各圧力発生室１２に分配される。

【００５３】封止板２０は、前述の各圧力発生室１２に
対応したインク供給連通口２１が穿設された、厚さが例
えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下
で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラ
スセラミックスからなる。なお、インク供給連通口２１
は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、各圧力発生室１
２のインク供給側端部の近傍を横断する一つのスリット
孔２１Ａでも、あるいは複数のスリット孔２１Ｂであっ
てもよい。封止板２０は、一方の面で流路形成基板１０
の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外
力から保護する補強板の役目も果たす。また、封止板２
０は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。

【００５４】共通インク室形成基板３０は、共通インク
室３１の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、イ
ンク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を
打ち抜いて作製されたものである。本実施形態では、共
通インク室形成基板３０の厚さは、０．２ｍｍとしてい
る。

【００５５】インク室側板４０は、ステンレス基板から
なり、一方の面で共通インク室３１の一壁面を構成する
ものである。また、インク室側板４０には、他方の面の
一部にハーフエッチングにより凹部４０ａを形成するこ
とにより薄肉壁４１が形成され、さらに、外部からのイ
ンク供給を受けるインク導入口４２が打抜き形成されて
いる。なお、薄肉壁４１は、インク滴吐出の際に発生す
るノズル開口１１と反対側へ向かう圧力を吸収するため
のもので、他の圧力発生室１２に、共通インク室３１を
経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。
本実施形態では、インク導入口４２と外部のインク供給
手段との接続時等に必要な剛性を考慮して、インク室側
板４０を０．２ｍｍとし、その一部を厚さ０．０２ｍｍ
の薄肉壁４１としているが、ハーフエッチングによる薄
肉壁４１の形成を省略するために、インク室側板４０の
厚さを初めから０．０２ｍｍとしてもよい。

【００５６】一方、流路形成基板１０の開口面とは反対
側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．５μｍ
の下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体膜
７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０と
が、後述するプロセスで積層形成されて、圧電振動子
（圧電素子）３００を構成している。ここで、圧電振動
子３００は、下電極膜６０、圧電体膜７０、及び上電極
膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電振動子３０
０の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び
圧電体膜７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして
構成する。そして、ここではパターニングされた何れか
一方の電極及び圧電体膜７０から構成され、両電極への
電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部
３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電振
動子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電振動子
３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合
でこれを逆にしても支障はない。何れの場合において
も、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されているこ
とになる。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電
極膜６０が振動板として作用するが、下電極膜が弾性膜
を兼ねるようにしてもよい。

【００５７】ここで、シリコン単結晶基板からなる流路
形成基板１０上に、圧電体膜７０等を形成するプロセス
を図４を参照しながら説明する。

【００５８】図４（ａ）に示すように、まず、流路形成
基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１０
０℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性
膜５０を形成する。

【００５９】次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタ
リングで下電極膜６０を形成する。下電極膜６０の材料
としては、Ｐｔ等が好適である。これは、スパッタリン
グやゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体膜７０は、成
膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１００
０℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるから
である。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような
高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければなら
ず、殊に、圧電体膜７０としてＰＺＴを用いた場合に
は、ＰｂＯの拡散による導電性の変化が少ないことが望
ましく、これらの理由からＰｔが好適である。

【００６０】次に、図４（ｃ）に示すように、圧電体膜
７０を成膜する。この圧電体膜７０の成膜にはスパッタ
リング法を用いることもできるが、本実施形態では、金
属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾
燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化
物からなる圧電体膜７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法
を用いて形成した。圧電体膜７０の材料としては、チタ
ン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料がインクジェット
式記録ヘッドに使用する場合には好適である。

【００６１】次に、図４（ｄ）に示すように、上電極膜
８０を成膜する。その際、本実施形態では、上電極膜８
０を圧縮応力とし、下電極膜６０及び圧電体膜７０の引
張応力より大きくなるように形成している。そのため、
この上電極膜８０は、圧縮応力を有し導電性の高い材料
で形成するのが好ましく、例えば、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，
Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅの何れかの金属が好適である。さら
に、本実施形態では、上電極膜８０を所定のガス中、例
えば、ガス圧１Ｐａ以下でスパッタリング法によって成
膜することにより、上電極膜８０中にそのガスを取り込
んでいる。これにより、上電極膜８０には、より大きい
圧縮応力が付与される。この上電極膜８０中に取り込む
ガスとしては、不活性ガスであることが好ましく、例え
ば、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ又はＲｎが好適であ
る。なお、スパッタリングの際のガス圧等の諸条件は、
スパッタ装置及び材料等によって、適宜調整すればよ
い。

【００６２】次に、図５に示すように、下電極膜６０、
圧電体膜７０及び上電極膜８０をパターニングする。

【００６３】まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜
６０、圧電体膜７０及び上電極膜８０を一緒にエッチン
グして下電極膜６０の全体パターンをパターニングす
る。次いで、図５（ｂ）に示すように、圧電体膜７０及
び上電極膜８０のみをエッチングして圧電体能動部３２
０のパターニングを行う。

【００６４】本実施形態では、その後、圧力発生室１２
をエッチングにより形成するが、このときの圧電体能動
部３２０が受ける応力の状態を以下に説明する。なお、
図６は、圧力発生室１２をエッチングにより形成前後の
各層が受ける応力の状態を模式的に示した図である。

【００６５】図６（ａ）に示すように、圧電体膜７０及
び上電極膜８０の各層を成膜した状態では、圧電体膜７
０及び下電極膜６０は、それぞれ流路形成基板１０から
引張応力σ₁，σ₂を受け、弾性膜５０及び上電極膜８０
は、それぞれ圧縮応力σ₃，σ₄を受けている。この上電
極膜８０の圧縮応力σ₄の大きさは、上述のように、引
張応力σ₁，σ₂の大きさより大きくなっている。そし
て、図６（ｂ）に示すように、圧電体能動部３２０をパ
ターニングすると、圧電体膜７０及び上電極膜８０の応
力σ₁，σ₄の一部が開放される。次に、図６（ｃ）に示
すように、圧電体能動部３２０の下方に圧力発生室１２
を形成しても、圧電体膜７０と上電極膜８０との流路形
成基板１０から受ける応力の向きが逆であり、圧電体膜
７０の引張応力σ₁が開放される力よりも上電極膜８０
の圧縮応力σ₄が開放される力の方が大きいため、下電
極膜６０及び弾性膜５０からなる振動板が上に凸に変形
する。

【００６６】なお、上電極膜８０の内部応力を圧縮応力
としない場合には、図７（ａ）に示すように、圧力発生
室１２形成前に、圧電体膜７０及び上電極膜８０にはそ
れぞれ引張応力σ₁，σ₄が残留しているので、圧力発生
室１２を形成すると、図７（ｂ）に示すように、引張応
力σ₁，σ₄は開放されて収縮しようとする力となり、結
果的に、下電極膜６０及び弾性膜５０からなる振動板
は、下に凸に変形され、これが初期変形として残留す
る。

【００６７】このように、本実施形態では、上電極膜８
０に、所定の大きさの圧縮応力を付与することにより、
圧電体能動部３２０をパターニング及び圧力発生室１２
形成後に、上電極膜８０が引張方向の応力を受ける（圧
縮応力が開放される）ため、圧電体膜７０の圧縮方向の
応力を相殺し、さらに、振動板を上に凸に変形させるこ
とができ、圧電体能動部３２０の駆動による振動板の変
形量を向上することができる。

【００６８】以上の説明では、圧電体能動部３２０をパ
ターニングした後、圧力発生室１２を形成するようにし
たが、実際には、図２に示すように、各上電極膜８０の
上面の少なくとも周縁、及び圧電体膜７０および下電極
膜６０の側面を覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層
９０を形成し、さらに、絶縁体層９０の各圧電体能動部
３２０の一端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部
にはリード電極１００と接続するために上電極膜８０の
一部を露出させるコンタクトホール９０ａを形成し、こ
のコンタクトホール９０ａを介して各上電極膜８０に一
端が接続し、また他端が接続端子部に延びるリード電極
１００を形成するようにしてもよい。ここで、リード電
極１００は、駆動信号を上電極膜８０に確実に供給でき
る程度に可及的に狭い幅となるように形成するのが好ま
しい。なお、本実施形態では、コンタクトホール９０ａ
は、圧力発生室１２に対向する位置に設けられている
が、圧電体能動部３２０を圧力発生室１２の周壁に対向
する領域まで延設し、圧力発生室１２の周壁に対向する
位置にコンタクトホール９０ａを設けてもよい。

【００６９】また、以上説明した一連の膜形成及び異方
性エッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時
に形成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチ
ップサイズの流路形成基板１０毎に分割する。また、分
割した流路形成基板１０を、封止板２０、共通インク室
形成基板３０、及びインク室側板４０と順次接着して一
体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。

【００７０】このように構成したインクジェットヘッド
は、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導
入口４２からインクを取り込み、共通インク室３１から
ノズル開口１１に至るまで内部をインクで満たした後、
図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、リー
ド電極１００を介して下電極膜６０と上電極膜８０との
間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電
体膜７０をたわみ変形させることにより、圧力発生室１
２内の圧力が高まりノズル開口１１からインク滴が吐出
する。

【００７１】ここで、本実施形態の圧電振動子の駆動時
の振動板に加わる力と弾性変形量との関係を図８（ａ）
に示す。図示するように、本実施形態では、振動板が上
電極膜８０の圧縮応力によって力ｆを受けて、初期段階
にインク吐出のための変形方向とは逆方向の変形ｔが生
じている。したがって、圧電体能動部３２０の駆動によ
る力Ｆによって変形Ｔを生じる。また、この変形Ｔは弾
性領域で生じているため、すべての変形をインクの吐出
に利用することができる。

【００７２】一方、上電極膜８０を圧縮応力にしない場
合には、図８（ｂ）に示すように、圧電体膜７０等の引
張応力によって力ｆ’を受けて、初期段階にインク吐出
のための変形方向に変形ｔ’が生じており、圧電体能動
部の駆動時に力Ｆが加わると、振動板が塑性変形領域に
入ってしまうため、変形Ｔは得られずに変形Ｔ’が生じ
ることになり、Ｔ−Ｔ’が変形の損失となる。

【００７３】このように、本実施形態では、上電極膜８
０に圧縮応力を付与することにより、圧力発生室を形成
する際に、振動板がインク吐出とは反対方向、すなわち
上に凸に変形するため、振動板の弾性変形領域内で、圧
電体能動部の駆動による変形量を増加させることがで
き、良好なインク吐出を行うことができる。

【００７４】なお、本実施形態では、上電極膜８０中に
不活性ガスを取り込むことにより、上電極膜８０にさら
に大きな圧縮応力を付与するようにしたが、これに限定
されるわけではない。上電極膜８０は、基本的には圧縮
応力であり、この圧縮応力が、所望の強さ以上となって
いれば、不活性ガスを取り込まなくてもよいことは言う
までもない。

【００７５】（実施形態２）本実施形態は、上電極膜８
０に、不活性ガスの代わりに、上電極膜８０の金属とは
異なる成分の金属、半金属、半導体又は絶縁体等の添加
物を添加することによって、上電極膜８０を圧縮応力と
した以外は実施形態１と同様である。

【００７６】これらの添加物の添加方法としては、例え
ば、図９（ａ）に示すように、上電極膜８０を形成後、
上電極膜８０の上方からのイオン打ち込みによって、添
加物を上電極膜８０に添加することができる。

【００７７】また、例えば、図１０（ａ）に示すよう
に、上電極膜８０上に、上電極膜８０に添加される添加
物層８５を形成し、次いで、不活性ガス又は真空中で加
熱処理することにより添加物層８５の成分元素を上電極
膜８０に固相拡散させることにより、上電極膜８０に添
加物を添加することができる。

【００７８】このように、イオン打ち込み又は固相拡散
によって上電極膜８０に添加した場合には、図９（ｂ）
又は図１０（ｂ）に示すように、上電極膜８０の上層部
８１に添加物が多く添加されるため、上電極膜８０の上
層部８１が特に大きい圧縮応力となる。

【００７９】このように、上電極膜８０に、上電極膜８
０の金属とは異なる金属等の添加物を添加することによ
り、上電極膜８０は体積が膨張することによって圧縮応
力となる。したがって、実施形態１と同様に、振動板を
上に凸に変形させることができ、圧電体能動部３２０の
駆動による振動板の変形量を向上することができる。ま
た、本実施形態では、上電極膜８０の上層部が特に大き
い圧縮応力となっているため、圧力発生室１２を形成し
た場合には、振動板をより確実に上に凸に変形させるこ
とができる。

【００８０】（実施形態３）図１１は、実施形態３に係
るインクジェット式記録ヘッドの要部断面である。

【００８１】本実施形態は、図１１に示すように、上電
極膜８０Ａを圧電体膜７０に接する第１の電極膜８２と
その上に積層される第２の電極膜８３とで構成した例で
ある。

【００８２】本実施形態の上電極膜８０Ａを構成する第
１の電極膜８２は、実施形態１と同様、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉ
ｒ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅの何れかの金属で形成さ
れ、圧縮応力を有している。また、第２の電極膜８２
は、第１の電極膜８１よりも大きい圧縮応力を有するこ
とが好ましく、例えば、酸化ルテニウム、酸化インジウ
ム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化マンガ
ン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウ
ムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタ
ン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム又は酸化モリブ
デン等の導電性の酸化膜、あるいは、例えば、窒化チタ
ン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステ
ン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、
窒化クロム又は窒化バナジウム等の導電性の窒化膜で形
成されている。

【００８３】このような本実施形態の上電極膜８０Ａの
形成方法は、特に限定されないが、本実施形態では、以
下の方法で形成した。

【００８４】実施形態１の薄膜製造工程と同様に、流路
形成基板１０上に、下電極膜６０及び圧電体膜７０を成
膜後、まず上電極膜８０Ａを構成する第１の電極膜８２
を成膜し、次いで、第１の電極膜８２上に、第１の電極
膜８２とは異なる主成分を有する第２の電極膜８３を形
成する。ここで、第２の電極膜８３は、好ましくは導電
性酸化膜又は導電性窒化膜からなるが、これらは、直
接、酸化膜又は窒化膜を形成してもよいが、成膜した
後、酸化又は窒化して形成してもよい。

【００８５】その後、上述の製造工程と同様に、圧電体
能動部３２０及び圧力発生室１２を形成する。

【００８６】上電極膜８０Ａをこのような構成として
も、上述の実施形態と同様に、振動板が上に凸に変形さ
れ、圧電体能動部３２０の駆動による振動板の変形量を
向上することができる。また、上電極膜８０Ａを圧縮応
力を有する二層で構成し、上層を導電性の酸化膜又は窒
化膜等で構成することにより、下層よりも大きい圧縮応
力としたので、実施形態２と同様に、圧力発生室１２を
形成した場合には、振動板を効果的に上に凸に変形させ
ることができる。

【００８７】なお、本実施形態では、上電極膜８０を二
層で構成しているが、例えば、第１の電極膜８２を設け
ず、導電性酸化膜又は導電性窒化膜で形成される第２の
電極膜８３のみで構成するようにしてもよい。このよう
な構成においても、上述の実施形態と同様の効果を得る
ことができる。

【００８８】（他の実施形態）以上、本発明の各実施形
態を説明したが、振動板を上に凸に変形させる手段は、
上述したものに限定されない。例えば、圧力発生室１２
を形成後、振動板の圧力発生室１２とは反対側に、物理
的に引張り力を付与するようにして凸に変形させるよう
にしてもよいし、流路形成基板１０を上に凸に変形させ
て振動板に張力を付与して凸に変形させてもよい。

【００８９】また、インクジェット式記録ヘッドの基本
的構成は上述したものに限定されるものではない。

【００９０】例えば、図１２に示すように、圧力発生室
１２の幅方向両側に対向した領域である圧電体能動部３
２０の両側のいわゆる振動板腕部に相当する部分に、下
電極膜６０を除去した下電極膜除去部３５０を設け、圧
電体能動部３２０への電圧印加による変位量の向上を図
ってもよい。この下電極膜除去部３５０は、下電極膜６
０を完全に除去せずに、厚さ方向の一部をハーフエッチ
ング等により除去することにより形成してもよく、ま
た、弾性膜５０の厚さ方向の一部まで除去することによ
り形成してもよい。

【００９１】このように、下電極膜除去部３５０を設け
た場合にも、上述の実施形態と同様に、上電極膜８０
に、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体膜７０の引張
応力よりも大きい圧縮方向の応力を付与することによ
り、振動板を上に凸に変形させることができ、圧電体能
動部３２０の駆動による振動板の変形量を向上すること
ができる。

【００９２】また、例えば、上述した封止板２０の他、
共通インク室形成板３０をガラスセラミックス製として
もよく、さらには、薄肉膜４１を別部材としてガラスセ
ラミックス製としてもよく、材料、構造等の変更は自由
である。

【００９３】また、上述した実施形態では、ノズル開口
を流路形成基板１０の端面に形成しているが、面に垂直
な方向に突出するノズル開口を形成してもよい。

【００９４】このように構成した実施形態の分解斜視図
を図１３、その流路の断面を図１４にぞれぞれ示す。こ
の実施形態では、ノズル開口１１が圧電振動子とは反対
のノズル基板１２０に穿設され、これらノズル開口１１
と圧力発生室１２とを連通するノズル連通口２２が、封
止板２０，共通インク室形成板３０及び薄肉板４１Ａ及
びインク室側板４０Ａを貫通するように配されている。

【００９５】なお、本実施形態は、その他、薄肉板４１
Ａとインク室側板４０Ａとを別部材とし、インク室側板
４０に開口４０ｂを形成した以外は、基本的に上述した
実施形態と同様であり、同一部材には同一符号を付して
重複する説明は省略する。

【００９６】ここで、この実施形態においても、上述し
た実施形態と同様に、上電極膜を圧縮応力とすることに
より、圧電体能動部の駆動による振動板の変形量を増加
することができる。

【００９７】また、勿論、共通インク室を流路形成基板
内に形成したタイプのインクジェット式記録ヘッドにも
同様に応用できる。

【００９８】また、以上説明した各実施形態は、成膜及
びリソグラフィプロセスを応用することにより製造でき
る薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、
勿論これに限定されるものではなく、例えば、基板を積
層して圧力発生室を形成するもの、あるいはグリーンシ
ートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体膜を
形成するもの等、各種の構造のインクジェット式記録ヘ
ッドに本発明を採用することができる。

【００９９】また、圧電振動子とリード電極との間に絶
縁体層を設けた例を説明したが、これに限定されず、例
えば、絶縁体層を設けないで、各上電極に異方性導電膜
を熱溶着し、この異方性導電膜をリード電極と接続した
り、その他、ワイヤボンディング等の各種ボンディング
技術を用いて接続したりする構成としてもよい。

【０１００】このように、本発明は、その趣旨に反しな
い限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応
用することができる。

【０１０１】また、これら各実施形態のインクジェット
式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するイン
ク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成し
て、インクジェット式記録装置に搭載される。図１５
は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図
である。

【０１０２】図１５に示すように、インクジェット式記
録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、
インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが
着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び
１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付け
られたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられてい
る。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、
それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物
を吐出するものとしている。

【０１０３】そして、駆動モータ６の駆動力が図示しな
い複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリ
ッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及
び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿っ
て移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に
沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ロ
ーラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シ
ートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるように
なっている。

【０１０４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
上電極膜を下電極膜及び圧電体膜の引張応力よりも大き
い圧縮応力とすることにより、振動板は、圧電体能動部
のパターニング及び圧力発生室形成後に、上電極膜の圧
縮応力が開放されることによる引張方向の力の影響を受
ける。しがって、振動板は上に凸に変形し、圧電体能動
部の駆動による変形量を向上することができ、良好なイ
ンク吐出を行うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記
録ヘッドの分解斜視図である。

【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドを示す図であり、図１の平面図及び断面図であ
る。

【図３】図１の封止板の変形例を示す図である。

【図４】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す図で
ある。

【図５】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す図で
ある。

【図６】本実施形態の圧電体能動部が圧力発生室形成時
に受ける応力の状態を示す図である。

【図７】従来の圧電体能動部が圧力発生室形成時に受け
る応力の状態を示す図である。

【図８】圧電振動子の駆動時に、振動板に加わる力と弾
性変形量との関係を示すグラフである。

【図９】本発明の実施形態２の薄膜製造工程を示す図で
ある。

【図１０】本発明の実施形態２の薄膜製造工程の他の例
を示す図である。

【図１１】本発明の実施形態３に係るインクジェット式
記録ヘッドの要部断面図である。

【図１２】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドの要部断面図である。

【図１３】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドを示す分解斜視図である。

【図１４】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドを示す断面図である。

【図１５】本発明の一実施形態に係るインクジェット式
記録装置の概略図である。

【符号の説明】

１０流路形成基板１２圧力発生室５０弾性膜６０下電極膜７０圧電体膜８０，８０Ａ上電極膜９０絶縁体層１００リード電極３００圧電振動子３２０圧電体能動部３５０下電極膜除去部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ノズル開口に連通する圧力発生室の一部
を構成する弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下電極
と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の
表面に形成された上電極とを備え、前記圧力発生室に対
応する領域に圧電振動子を形成したインクジェット式記
録ヘッドにおいて、前記弾性膜が、前記圧力発生室から外側に向かって凸に
変形していることを特徴とするインクジェット式記録ヘ
ッド。
【請求項２】請求項１において、前記上電極の主成分
は、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅから
なる群から選択される金属であることを特徴とするイン
クジェット式記録ヘッド。
【請求項３】請求項２において、前記上電極は、スパ
ッタ法で形成され、且つ前記金属中に所定のガスが添加
されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
ド。
【請求項４】請求項３において、前記ガスは、Ｈｅ、
Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＲｎの群から選択される不
活性ガスであることを特徴とするインクジェット式記録
ヘッド。
【請求項５】請求項２において、前記上電極は、前記
金属に、異なる成分の金属、半金属、半導体及び絶縁体
からなる群から選択される少なくとも一種の添加物が添
加されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘ
ッド。
【請求項６】請求項５において、前記添加物が、イオ
ン打ち込みにより前記上電極に添加されることを特徴と
するインクジェット式記録ヘッド。
【請求項７】請求項５において、前記添加物が、前記
上電極上に設けられた層からの固相拡散により前記上電
極に添加されることを特徴とするインクジェット式記録
ヘッド。
【請求項８】請求項７において、前記固相拡散は、不
活性ガス又は真空下で加熱することにより行われること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項９】請求項１において、前記上電極は、前記
圧電体層の表面に形成される第１の電極と、この第１の
電極上に積層される第２の電極とを有し、前記第２の電
極は、導電性の酸化膜又は窒化膜であることを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１０】請求項９において、前記第１の電極の
主成分が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ及びＲ
ｅからなる群から選択される金属であることを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１１】請求項９又は１０において、前記第２
の電極を構成する酸化膜の主成分が、酸化ルテニウム、
酸化インジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化
錫、酸化マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸
化ストロンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜
鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及
び酸化モリブデンからなる群から選択されることを特徴
とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１２】請求項９又は１０において、前記第２
の電極を構成する窒化膜の主成分が、窒化チタン、窒化
ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハ
フニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロム
及び窒化バナジウムからなる群から選択されていること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１３】請求項９又は１０において、前記第２
の電極は、成膜後に酸化又は窒化することにより形成さ
れることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１４】請求項１において、前記上電極の主成
分が、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミ
ウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウ
ム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、
酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニ
ウム、酸化ハフニウム及び酸化モリブデンからなる群か
ら選択される導電性酸化膜であることを特徴とするイン
クジェット式記録ヘッド。
【請求項１５】請求項１において、前記上電極の主成
分が、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒
化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒
化タンタル、窒化クロム及び窒化バナジウムからなる群
から選択される導電性窒化膜であることを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッド。
【請求項１６】請求項１〜１５の何れかにおいて、前
記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチング
により形成され、前記圧電振動子の各層が成膜及びリソ
グラフィ法により形成されたものであることを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１７】請求項１〜１６の何れかのインクジェ
ット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジ
ェット式記録装置。